《Atmospheric and Oceanic Science Letters》：Contrasting responses of North American and Asian climates to orbital forcing during the Late Cretaceous
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本文旨在解决晚白垩世北美与亚洲气候对轨道强迫响应不一致，进而限制高精度地层对比的科学难题。研究者利用耦合气候系统模型，对比研究了两个大陆气候对轨道参数变化（特别是地轴倾角和岁差）的敏感性。结果表明，亚洲气候对倾角和岁差均有显著响应，且降水变化与北半球夏季日照强度同相；而北美气候则主要受岁差影响，且响应较弱且呈反相位。这揭示了受季风系统控制的亚洲与非季风区北美在轨道尺度上的响应机制差异，为跨大陆的轨道时间尺度地层对比提供了“此湿彼干、此干彼湿”的关键概念框架。
大约一亿年前的白垩纪晚期，地球是一个“超级温室”，两极无冰，大气二氧化碳浓度极高，全球气候比现在温暖得多。那时的亚洲和北美大陆，虽然与今天的纬度位置相近，但气候环境却可能大相径庭。地质学家们在两地的地层记录中，都发现了清晰的、周期性的沉积韵律，这些韵律的周期恰好与地球绕日轨道参数（如岁差、倾角、偏心率）的周期性变化（即米兰科维奇旋回）相吻合。这强烈暗示，轨道变化驱动了古气候的周期性波动。然而，一个令人困惑的现象浮出水面：在亚洲，被认为是“湿润”的沉积相，可能与北美被认为“干旱”的沉积相形成于同一时期。这究竟是因为两地气候对轨道强迫的响应模式根本不同，还是地层年代对比不够精确导致的误判？要解答这个谜题，仅仅依靠零散、有时序误差的地质记录是远远不够的。于是，科学家们转向了气候数值模拟，希望用计算机“重现”远古的气候，来检验这两个大陆在轨道周期驱动下的行为有何异同。
这项研究发表在国际期刊《大气和海洋科学通讯》（Atmospheric and Oceanic Science Letters）上，由张建、崔琦、赵安妮、方小敏等研究者完成。他们通过数值模拟，揭示了晚白垩世北美与亚洲气候对轨道强迫存在截然不同的响应模式，这一发现对理解古气候动力学和高精度地层对比具有重要意义。
为了开展这项研究，研究人员主要采用了古气候数值模拟这一关键技术。他们使用了通用环流模型（General Circulation Model），具体为社区地球系统模型（Community Earth System Model, CESM） 版本1.2.2，这是一个包含大气、海洋、陆地、海冰和径流五大组分的完全耦合气候系统模型。模型基于森诺曼期-土伦期的古地理和古植被重建数据设置边界条件，并设置了多组对照实验。这些实验通过精确控制地球轨道参数——包括地轴倾角（Obliquity）（设置高值24.5°和低值22.5°）和近日点季节相位（即岁差Precession的影响，通过设置近日点与北半球冬至、春分、夏至、秋分对齐来模拟）——来量化它们对北半球气候的影响。所有模拟中，大气CO2浓度设定为1120 ppmv，以符合晚白垩世的地质估计。每组模拟从已达到平衡的耦合运行结果开始，再积分600个模型年，并取最后100年的数据进行分析，以确保充分捕捉气候对轨道强迫的响应。
结果
3.1. 降水变化
模拟结果显示，轨道强迫对晚白垩世亚洲和北美气候均有显著影响。当北半球夏至与近日点对齐（即北半球夏季日照增强）时，亚洲大部分地区（除西北部外）的年均降水量相较于近日点与冬至对齐时增加。相反，在北美中低纬度地区，相同的轨道变化却导致年降水量减少。这种相反的响应表明，偏心率-岁差强迫对亚洲和北美水文气候的影响方式存在根本差异。95% using Student’s t-test, and the red and blue lines are, respectively, the monsoon domain in the two modeling experiments.">
倾角强迫引起的降水变化则不那么显著。高倾角（相比低倾角）使亚洲大部分地区年降水量增加，而对北美中低纬度地区的降水影响在空间上有限且幅度非常微弱。
3.2. 日照影响降水的动力学机制
季节尺度分析揭示了其背后的动力机制。当近日点从北半球冬至移至夏至时，北半球春夏的顶层大气日照增强，导致陆地增温幅度大于海洋，从而加强了春、夏季的陆海热力对比。这在亚洲中低纬度诱发了一个异常低压系统和相关的气旋性环流，增强了来自特提斯洋和西北太平洋的水汽输送，从而导致亚洲降水增加，且在夏季表现最为明显。90% using Student’s t-test for geopotential height.">90% using Student’s t-test for precipitation.">
相比之下，北美大部分地区位于季风区之外，四季降水较为平均。同一轨道变化会强化特提斯洋和太平洋上空的副热带高压，抑制了对流和降水，导致北美降水减少，这在夏季和冬季尤为明显。
倾角变化的影响则不同。高倾角在夏季使北半球陆地显著增温，在亚洲上空产生明显的异常低压，导致东亚地区降水增加。同时，从北大西洋到副特提斯地区发展的另一个更强异常低压系统，也使得北美东南沿岸夏季降水增加。
4. 讨论与结论
结论与意义
这项研究利用完全耦合的气候系统模型，揭示了晚白垩世轨道强迫如何差异性地塑造了亚洲和北美的气候。核心结论是：晚白垩世的东亚处于显著的季风体系控制之下，而北美则基本不在季风区内。因此，两者对轨道强迫的响应截然不同。
响应机制对比：亚洲水文气候同时受到地轴倾角和岁差的显著影响，其降水变化与北半球夏季日照强度同相位，即夏季日照增强时降水增加，减弱时降水减少。这主要是通过改变陆海热力对比，进而影响季风环流强度和水汽输送来实现的。北美气候则主要受岁差单独控制，且响应微弱且呈反相位，即北半球夏季日照增强时，北美中低纬度降水反而减少。这是因为增强的日照强化了副热带高压，抑制了降水。倾角变化对北美水文气候的影响可以忽略不计。
与地质记录的吻合：模拟结果与两地丰富的地质证据相一致。例如，中国鄂尔多斯盆地的沙丘-湿丘间旋回、松辽盆地的高分辨率元素记录都显示出所有主要米兰科维奇周期的信号，印证了轨道变化对亚洲气候的强烈调控。北美西内陆海道的泥灰岩-灰岩互层旋回也记录了强烈的岁差、倾角周期，这些海洋沉积的韵律被认为与大陆径流（受降水控制）变化密切相关，而模拟证实岁差是驱动北美大陆降水变化的主控因子。
对地层对比的重要启示：本研究最重要的意义在于为跨大陆的轨道时间尺度地层对比提供了关键概念框架。研究表明，由于响应机制相反，在岁差周期上，东亚记录的湿润期，很可能对应着北美记录的干旱期，反之亦然。这种“此消彼长”的反相位关系，为在缺乏极高精度年龄标尺的情况下，关联晚白垩世不同大陆的气候档案提供了一种新的、强有力的推断依据。它警示研究者，在进行全球轨道尺度地层对比时，必须考虑不同气候系统对同一强迫的差异性响应，避免简单地将沉积相的变化等同视之。
